190噸礦用交流電動輪自卸車電阻制動裝置

孫博

摘? 要：文章主要闡述了190噸礦用交流電動輪自卸車交流牽引電傳動系統中電阻制動裝置的技術特點、結構及工作原理，以及制動性能、主要部件參數、選型的設計計算。

關鍵詞：電動輪自卸車;電阻制動;散熱計算;制動原理

中圖分類號：U469.4? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）16-0001-04

Abstract： This paper mainly expounds the technical characteristics， structure and working principle of the resistance braking device in the AC traction electric drive system of 190ton mine-used AC motor dump truck， as well as the design and calculation of braking performance， main component parameters and type selection.

Keywords： motor dump truck; resistance braking; heat dissipation calculation; braking principle

1 概述

在我國大型露天礦山、大型水電工程日益優化生產與快速建設發展的今天，重型電動輪自卸車以其高運行效率、大運載量、經濟效益好而成為其理想的運載工具。我國從上世紀70年代中期開始引進使用國外電動輪自卸車，經過40多年的不斷推進，我國重型電動輪自卸車生產的歷程經歷了引進、合作生產、國有化生產、自主化研發制作這四個階段。

重型電動輪自卸車制動結構采用液壓制動和電阻制動相結合的方式，簡稱電液制動。電液制動是提高重型電動輪自卸車運營經濟效益、保障運營安全上的一大助力。由于電阻制動本身無機械磨損情況，在電阻制動的作用下，車輛降至低速（一般為5公里/小時以下）才使用液壓制動停車。因而有效的減輕液壓制動的負擔，延長液壓制動工作機構的使用壽命。通常在整車運營成本中輪胎的消耗占第二位，先進可靠的電阻制動系統，在提高車輛行駛安全性的同時，最大程度的減輕輪胎在制動時所受損傷，從而大幅度降低了運營成本。

2 電阻制動系統

2.1 電阻制動總體

電動輪自卸車電阻制動采用動力制動方式，主要起車輛減速作用，特別是用于有效控制重載下坡時車輛的速度。其原理是司機踩下動力制動踏板，相關接觸器和繼電器按設定邏輯進行轉換。此時，牽引電動機在車輛慣性的作用下處于發電機運行狀態，其產生的電能經由母線導入電阻制動線路中，通過制動電阻柵轉換成熱能消散在大氣中。

制動電阻柵的冷卻方式有兩種：即自然通風冷卻和強迫通風冷卻。而強迫通風冷卻使用的通風機采用軸流式風機，其風機電機為串勵直流電機。風機能源來自電制動所產生的電能，而整套牽引電傳動系統采用直流系統懸浮隔離設計（風機電機正負無需接地）。即根據線路連接技術要求將風機電機正極（+）固定在電阻單元線路輸入端“1”，風機電機負極（-）固定在電阻單元線路輸出端“2”，這樣通風機的通風量隨電制動功率變化而變化，從而保證制動電阻柵不會因制動功率過大而燒毀。系統原理簡圖見圖1。

2.1.1 控制方面

2.1.2 散熱方面

通風機根據不同制動工況下所產生的電能經由微機控制IGBT占空比大小，來控制加載在通風機兩端的電壓：

（1）當加載風機兩端的電壓小于風機啟動電壓，此時制動電阻為自散熱。

（2）當加載風機兩端的電壓大于風機啟動電壓時，風機隨加載電壓逐步變化而提供不同轉速的風量與風壓，此時制動電阻為強迫風冷散熱。

2.1.3 制動特性

制動功率的確定需要綜合現場實際路況與環境、用戶的使用需求以及電機性能，尤為注意制動轉矩的確定。制動特性曲線見圖2。

2.2 電阻制動控制

在電阻制動工況下，柴油機保持高怠速運行。主發電機通過中間直流環節和逆變器給異步電機提供預勵磁電壓，當電動機在預勵磁電壓下開始工作，則中間直流電壓依靠牽引電機制動時反饋的能量迅速達到最大電壓，此時柴油機和主發電機不再向中間直流環節和制動電阻提供能量。異步電機的定子頻率小于轉子頻率，處于發電工作狀態下，汽車位于制動工況。

電阻制動工況分為3個區域：恒壓非恒功制動區、恒制動功率區和降制動力區。

2.3 電阻制動裝置

電阻制動裝置是電傳動系統中重要組成部分，工作穩定與可靠將直接影響整車的安全行駛，而電阻制動裝置設計涉及傳熱學、空氣動力學、電機學等多個學科。隨著裝載噸位的不斷提升，電阻制動裝置的功率隨之增大，受車體平臺結構尺寸的限制，要求電阻制動裝置盡可能緊湊、高效和耐高溫。既要求有足夠的散熱風量、風壓提供給電阻柵，又要滿足制動功率能耗要求，由此給電阻制動裝置設計提出了較高的要求。

電阻制動裝置由柜體、風機、導流風道、電阻單元及連接銅排組成，電阻制動裝置見圖4。冷卻空氣經由風機加壓后以一定速度經過導流風道送入電阻柜內，冷卻空氣在電阻柜內通過熱交換吸收高溫電阻帶散發的熱量，再經電阻柜另一側百葉窗排入大氣。

1.柜體結構;2.散熱風機;3.導流風道;

4.電阻單元;5.連接銅排

3 參數計算

3.1 電阻功率

電阻帶在發熱狀態其各部位的發熱溫度實際不是均勻分布的。受電阻帶體本身結構形狀影響，各部位截面積流過電流密度的大小有差異，電阻帶各部位溫升不同;同時各部位在風道截面中分布的位置不同，及各部位通風效果也有差異;并且靠近風機側與遠離風機側電阻帶通過的冷卻風溫度也有變化，再加上熱能傳導與外界實際情況的不確定性。

為方便整體分析故做簡化處理，將整個電阻單元看做發熱均勻的整體，其表面溫度均勻分布沒有溫差。而電阻單元實際功能則在制動工況時將牽引電機制動過程產生的能量全部轉化成熱能消耗掉，此時電阻單元兩端加載電壓就是牽引端壓U。為確保汽車在任何情況下的制動效果，電阻單元能承載的功率為最大制動功率，即牽引制動時產生的最大端電壓U與最大母線電流I。

由上可以得到電阻單元所要承載的最大功率P，根據熱量守恒定律，電阻單元所產生的熱能Q以功率P的形式呈現。

3.2 電阻材質

電阻帶材質的性能是電阻制動裝置能否穩定高效持久工作的依靠，首先材質在高溫使用環境下必須具備其抗氧化性和耐熱性，因此才能擁有較高的使用壽命和使用溫度;其次材質需要具備電阻系數高、電阻穩定性長和電阻溫度系數小的特點;再次材質需要具備一定的耐高溫強度，以保證在高溫環境下帶體不變形和斷裂;最后材質需要具備良好的加工特性。一般電阻帶材質選用Ni-Cr和Fe-Cr-AI系列合金帶。性能見表1。

從表1中兩者都能滿足材質性能要求，但綜合來看Ni-Cr材質加工性能好、高溫強度高、高溫振動及惡劣工況環境下更為可靠。考慮到重型電動輪自卸車的運行環境比較惡劣所以材質選用Ni-Cr，由此可根據材料性能確定電阻單元最高工作溫升K，并得出風道進出風口溫升ΔT。

3.3 風量與阻力

3.3.1 風量計算

3.3.2 風道空氣阻力

（1）導流風道風阻

通風機出風口截面為圓形，電阻單元進風口截面為矩形。兩者形狀尺寸差異過大，如直接將其對接會有較大突然擴張損失引起流場的不均勻產生大量風阻，因此在通風機與電阻單元之間增加導流風道，以使風道平緩地完成從圓到矩形的延展趨勢。導流風道由圓形進風口、矩形出風口、導流錐、間隔板和導風板組成。導流風道三維模型見圖5。

3.4.3 風機工作點

風機的流量Q與其所產生的壓頭P之間，保持一定的關系，據此所繪制的曲線，稱為風機的Q-P特性曲線。風機總是與風道連接在一起工作的，當負荷變化時，風流量相應變化，風道的流動阻力ΔP也隨之變化，根據它們之間的變化關系所繪制的曲線，稱管道的Q-ΔP特性曲線。

風機在工作時，它所能產生的壓頭，恰好等于該管道系統輸送相同流量氣體所消耗的總壓頭（即管道總流動阻力），它們在供求關系上處于平衡狀態。因此，風機的Q-P特性曲線與管道系統的Q-ΔP特性曲線的交點A即為風機的工作點，見圖8。工作點A的位置，決定了風機工作狀態下的一切參數。

4 柜體結構

受車體平臺空間限制，電阻柜外型既要緊湊又要滿足柜體內部安裝空間及連線操作空間的要求。為此設計時放棄常用的型材結構組焊，改用鋼板沖壓成型組焊結構。既能減少型材結構帶來的空間干涉，增加內部緊湊度，減少外型尺寸;又能保留結構整體強度，滿足柜體抗沖擊性能;同時結構各折彎處配合柜體底面排水口形成良好的雨、污水導流通道，確保在惡劣環境下柜體內部無積水，保證制動電阻裝置長期穩定高效的運行。柜體內部結構見圖9。

5 制動電阻裝置整體參數

制動電阻裝置設計參數滿足190噸礦用交流電動輪自卸車牽引電傳動系統交流異步牽引電動機制動工況時制動特性，具體制動電阻裝置定額及電氣數據見表2。

6 結束語

（1）電阻制動為確保電動輪自卸車電傳動系統的可靠性起到重要作用，在設計時需要充分考慮用戶使用現場的路況與環境，來合理確定制動參數與結構強度，使電阻制動裝置能在惡劣的使用環境下保持穩定可靠的工作。

（2）上述計算內容對電動輪自卸車電阻制動裝置的設計起到一定指導意義。由于電阻單元排列密集內部結構復雜，需要合理設計相關結構使內部阻力系數控制在合理范圍。

參考文獻：

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